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随着能源问题的日益突显,节能降耗成为工业生产的重要目标,换热器作为热力过程的典型设备,面临更高温度和更高压力的挑战。开发新型、高效的紧凑式换热器成为迫切需求。板泡式换热器具有结构紧凑、传热强度高、质量轻便、适应性强等优点,可用于先进能源、汽车工业、精密仪器、电子仪器等工程领域,成为目前最有发展前途的新型换热设备之一。
随着工业科技的快速发展,换热器的操作工况逐步向高温、高压、腐蚀介质等苛刻性方向发展,这势必对换热器的强度、寿命和安全提出更高要求。对换热器进行结构强度分析也日显重要。如何准确有效地确定实际工况下换热器结构的变形与应力,是结构工程师需要解决的问题。
但是,由于板泡式换热器结构的复杂性,对其结构强度还没有简单、合适的求解方法。针对这个问题,本文通过理论推导、数值模拟和材料试验研究了板泡式换热器的力学性能,其主要工作及得出的结论如下:
(1)对不同相对密度的316泡沫不锈钢进行常温单轴拉伸和高温短时拉伸试验,得到泡沫金属的力学性能,并与数值模拟结果相比较,总结得出316泡沫不锈钢力学性能计算公式。
(2)通过对316不锈钢单轴拉伸蠕变试验数据的回归模拟,得出高温下316不锈钢和泡沫不锈钢的粘弹性参数。
(3)在对板一泡结构特点和具体受力情况分析的基础上,引入小挠度薄板理论和弹性地基模型,建立了单层板-泡结构强度分析的简化模型,并应用有限元数值模拟方法对该模型进行了验证分析。进而通过参数变化,将该方法拓展到多层板-泡结构。结果表明,该简化分析方法计算精度高、计算速度快、可准确分析板-泡结构的应力。
(4)在弹性分析的基础上,通过对应原理建立了板-泡结构在拉氏空间的控制方程,运用三参数固体模型和数值逆变换,计算了板-泡结构的粘弹性力学行为。并通过有限元数值模拟方法对其可行性和准确性进行可验证,并探讨了结构参数和材料参数对结构粘弹性力学性能的影响关系。